Smart Home ZigBee für die clevere Lichtsteuerung

ZigBee gilt als Defacto-Standard in der drahtlosen Heimvernetzung. Dabei ist eine Integration auf Chip-Ebene gar nicht notwendig, wie der Technologieanbieter ubisys findet. Fertige OEM-Module sind genügend vorhanden. Und auch für die Zukunft ist ZigBee gewappnet.

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Schulz-Electronic GmbH

Bürklin GmbH & Co. KG

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Ubisys Technologies GmbH

Während der Wettbewerb um den drahtlosen Vernetzungsstandard im Smart Home noch nicht endgültig entschieden ist, haben sich die führenden Unternehmen der Beleuchtungsindustrie auf ZigBee als offenen, herstellerübergreifenden, drahtlosen Vernetzungsstandard festgelegt. Zu bekannten Großunternehmen wie Philips, Osram, GE Lighting, Samsung und LG Electronics stoßen kleine und mittelständische Unternehmen, die zunächst abgewartet hatten, welche Lösung sich am Markt durchsetzen würde. In der jetzigen Form ist ZigBee bereits eine hochwertige Alternative zu DALI.

Für Hersteller von Leuchten und Beleuchtungssystemen verbindet ZigBee leistungsfähige technologische Merkmale mit den strategischen Vorteilen eines durchgängigen Second-Source-Angebots für jeden Bestandteil der Gesamtlösung.

Die wesentlichen Funktionsmerkmale auf der Netzwerkebene sind:

• selbst-organisierendes, selbst-heilendes maschenartiges Netzwerk,

• verschiedene Routingoptionen, darunter spontane Ad-hoc Routen zwischen beliebigen Geräten und effiziente Many-to-one-Routen für exponierte Geräte wie Gateways sowie passende Rückwärtsrouten via Source Routing

• robuste, bidirektionale Übertragung mit Quittungsmeldungen und Wiederholungen sowohl auf Ebene 2 (MAC) als auch auf Ebene 7 (APS)

• hohe Sicherheitsstandards mit Netzwerkschlüssel (128-Bit AES) und Paketzähler gegen Angriffe durch aufzeichnen und abspielen. Zusätzlich individuelle Schlüssel zwischen einzelnen Geräten auf Anwendungsebene für besonders sensible Bereiche wie Zugang und Sicherheit: Gateway/Trust Center oder Türschlösser. Optional individuelle Installationscodes für sicheren Schlüsseltransport bei Inbetriebnahme und

• zwei Sicherheitskonzepte: zentralisiert (Coordinator, Trust Center) oder dezentral/verteilt

Die Vorteile auf der Applikationsebene:

• einfache Installation,

• Gruppen bis zu 65.535,

• Szenen bis zu 256 pro Gruppe,

• automatische Rückmeldungen, d.h. bei Betätigung eines Wandschalters würde auf dem Smartphone eine entsprechende Statusänderung angezeigt. Eine aktive Abfrage ist nicht notwendig,

• Optional: Speziell für vernetzte Lampen entwickeltes, extrem einfaches Verfahren für die Ersteinrichtung, d.h. Einprägen der Netzwerkparameter durch „berühren“ (Abstand ungefähr 50 cm) mit einem Inbetriebnahmewerkzeug („Touchlink“),

• Funktionen zur Ansteuerung, Firmware Update per Funk („Over-the-Air (OTA)“ Upgrade) oder Energieverbrauchsmessung herstellerübergreifend in Funktionsgruppen (sogenannten „Clustern“) standardisiert,

• geringer Energiebedarf und somit Geräte mit mehrjähriger Batterielaufzeit möglich,

• mit ZigBee Green Power sind batterielose, wartungsfreie, energieautarke Geräte möglich, die ihre Energie mit Energy Harvesting aus der Umgebung beziehen. Das kann beispielsweise Energie einer Schalterbetätigung oder eines Temperaturunterschieds sein und

• Spezifikationen und Testprozeduren, Zertifizierungsprogramme und akkreditierte Testhäuser (TÜV Rheinland)

Die Smart-Home- und Connected-Lighting-Märkte üben wechselseitig eine bereichernde und stärkende Wirkung aufeinander aus, denn die direkte Integration von vernetzten Lampen in ZigBee-basierte Smart-Home-Lösungen hat enormes Potenzial. So lassen sich Wandschalter, Tür-/Fensterkontakte oder Rauchmelder einer Smart-Home-Anlage direkt mit der Beleuchtung und Beschattung verknüpfen, um beispielsweise bei einem Brand die Flucht- und Rettungswege zu beleuchten und freizumachen. Diese Mehrwerte sind kaufentscheidende Kriterien für Endverbraucher.

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Unterschiedliche Transceiver und System-on-Chips

Die verbaute Hardware kommt von unterschiedlichen Herstellern. Denn als Anbieter sollte man seine Bezugsquellen nicht auf einen Lieferanten beschränken. Seien es Lieferzeiten, Preise, Produktabkündigungen oder andere Faktoren: Konkurrenz belebt das Geschäft. Und bei IEEE 802.15.4 Transceivern und System-on-Chips ist die Auswahl recht groß: Texas Instruments, Silicon Labs (Ember), freescale, Atmel, Analog Devices und ST Microelectronics zählen zu den bekannten, etablierten Anbietern; aber auch kleinere Unternehmen wie GreenPeak bieten Chips an.

Offener Dimmstandard

Die Vorteile von Ledotron im täglichen Einsatz

Neben den kostenlosen ZigBee Stacks der Chiphersteller, die an die eigenen Microcontroller und System-on-Chips (SoCs) gekoppelt sind, gibt es mit dem ubisys Compact7B ZigBee Stack auch eine unabhängige Alternative, die beispielsweise ARM Microcontroller von Atmel mit Transceivern von Texas Instruments zu einer maßgeschneiderten Gesamtlösung verbindet, die trotz der Lizenzkosten für den ZigBee Stack dennoch ein konkurrenzfähiges Gesamtpaket ermöglicht.

Denn nicht immer bieten die SoCs die Peripherie oder den Core, der für eine bestimmte Applikation optimal wäre. Zudem ist der ZigBee Stack speziell für größere Installationen ausgelegt, bei denen nicht unbedingt ein zentraler Coordinator vorgesehen ist. So lassen sich ein Dimmer und ein Wandschalter direkt miteinander verbinden – ohne, dass weitere Geräte wie ein Gateway notwendig wären.

ZigBee-Leuchten und Dimmer beliebiger Hersteller

Apps und Gateways oder Wandschalter zu entwickeln, die Kunden im Rahmen einer Gesamtlösung erwarten, gehört nicht zum Kerngeschäft von Herstellern von LED-Beleuchtungslösungen. Auch hier spielt ein offener, herstellerübergreifender Standard wie ZigBee seine Stärken aus. So ist das Gateway G1 von ubisys in der Lage, kompatible ZigBee-Leuchten und Dimmer beliebiger Hersteller anzusteuern, Verknüpfungen, Gruppen und Szenen einzurichten und über die Smart Home App aufzurufen. Farbe und Helligkeit der Lampen lassen sich bequem über die iOS und Android Apps steuern. Auch eine Zeitsteuerung ist damit möglich.

Der ZigBee-Standard hat sich über die letzten 10 Jahre stetig weiterentwickelt und hat einen Stand erreicht, der Herstellern das notwendige Vertrauen in die Adaption dieser Technologie gibt. So können Hersteller heute ZigBee-Lösungen entwickeln, die sich problemlos mit ZigBee-Produkten anderer Hersteller kombinieren lassen. Wenn man geeignete Komponenten auswählt, ist die Hardwareplattform dabei schon für künftige Entwicklungen rund um das Internetprotokoll IPv6 gerüstet. Somit ist nur noch eine neue Firmware notwendig, um auch diese Standards zu unterstützen. Die Standardisierung ist hier aber noch längst nicht so weit, als dass man interoperable Geräte herstellen könnte.

Viele offene Protokolle, gleiche Basis

Neben der ZigBee Alliance, die ein Paket aus offenen Protokollen im Rahmen von SEP 2.0 geschnürt hat, sind auch die IPSO Alliance und die gerade erst ins Leben gerufene Thread Group rund um Google/Nest Wettbewerber um das künftige Internet-of-Things (IoT). Die gute Nachricht für Hersteller ist dabei, dass alle diese Konzepte auf der gleichen Basis aufbauen, wie ZigBee und sich die Hardwaredesigns und der applikationsspezifische Teil der Firmware unverändert übernehmen lassen, sobald sich ein Gewinner im IoT abzeichnet.

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